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Elektret
Die Erfindung betrifft Elektrete, insbesondere zum selektiven Entfernen von Teilchen aus Rauch, z. B. Tabakrauch, durch Filtrieren.
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weist, wobei die Polarisation sich nicht nur auf die Oberfläche beschränkt, sondern durch das ganze Volumen des Dielektrikums hindurch erstreckt.
Elektrete sind bereits aus vielen Werkstoffen einschliesslich Kunststoffen, wie Polyvinylchlorid, oder Carnaubawachs mit verschiedenen Zusätzen, wie Esterharzen u. dgl., hergestellt worden. So sind z. B. aus der deutschen Patentschrift Nr. 928 842 Elektrete bekanntgeworden, die auf beiden Seiten eine Schicht aus elektrisch leitendem Material aufweisen. Diese Elektrete sind für hohe elektrische Spannungen gedacht und wirken etwa in der Art einer Batterie. Zu diesem Zweck werden mehrere, beidseitig mit Folien armierte scheibenförmige Elektrete aufeinandergelegt. Auch diese Elektrete besitzen jedoch, so wie die normalen Elektrete (ohne leitende Beschichtung), nur einen beschränkten Wirkungsgrad, da auch hier auf beiden Seiten entgegengesetzte Ladungen auftreten und sich somit kein elektrisches Gesamtfeld ausbilden kann.
In demAufsatz"Harz-Elektrete", erschienen in der ETZ-B, 11. Jahrgang, H 9/1959, S. 359 bis 364, wird auf kurzgeschlossene Elektrete hingewiesen. Es werden aber dort offensichtlich Potentialdifferenzen zwischen den Elektroden beschrieben und nicht elektrostatische Felder. Ein polarisiertes Dielektrikum, das eine äussere metallische Oberfläche hat, ist zwar elektrostatisch abgeschirmt, es kann aber trotzdem noch ein Potential zwischen den Oberflächen haben. Es wird in diesem Aufsatz auch erwähnt, dass die Verwendung von Elektreten als elektrostatische Staubfilter anscheinend wenig erfolgreich gewesen ist, weil stark inhomogene Felder mit Elektreten nur schwer zu verwirklichen sind.
Zie, der Erfindung ist es nun, einen Elektret zu schaffen, der diese Nachteile beseitigt und der besonders gut für die Zwecke der Staubfiltrierung u. dgl. geeignet ist, d. h. der imstande ist, ein besonders hohes elektrostatisches Feld über lange Zeit aufrecht zu erhalten.
Dies wird bei einem Elektret, insbesondere zum selektiven Entfernen von Teilchen aus Rauch, z. B.
Tabakrauch, durch Filtrieren mit mindestens zwei parallelen Oberflächen, die einander entgegengesetzte elektrische Ladungen aufweisen, erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass nur an einer der beiden Oberflächen eine Schicht aus elektrisch leitendem Material anhaftet. Gemäss der Erfindung ist somit nur eine Oberfläche des Elektrets abgeschirmt, so dass nach wie vor das elektrostatische Feld an der entgegengesetzten Oberfläche vorhanden ist und somit beispielsweise zum Filtrieren von Tabakrauch wirksam gemacht werden kann.
Zweckmässigerweise können dabei, wie an sich bekannt, die beiden parallelen Oberflächen eben ausgebildet sein. Da durch die erfindungsgemässen Elektrete erstmals die Möglichkeit geboten wird, auf einer bestimmten Seite des Elektrets entweder eine positive oder negative Ladung aufzubringen, ist gemäss einer weiterenAusgestaltung der Erfindung der Elektret dadurch gekennzeichnet, dass er auf der der
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metallisierten Seite gegenüberliegenden Seite eine entgegengesetzte Ladung aufweist.
Die metallisierten Elektrete gemäss der Erfindung eignen sich besonders zur Anwendung in Filtern für Tabakrauch, da sie höhere Ladungen aufweisen als die bisher bekannten Elektrete und infolgedessen dem Tabakrauch die unerwünschten Bestandteile in höherem Ausmasse entziehen, und da sie eine einfache und wirksame Anordnung von elektrisch geladenen Stoffen in einem Filter ermöglichen.
Gemäss der Erfindung werden somit neue metallisierte Elektrete geschaffen, die in ihren Eigenschaften den bisher bekannten Elektreten überlegen sind. Ausser ihrem besonderen Wert für Tabakrauchfilter haben sich die neuen metallisierten Elektrete auch für andere Arten von Filtern, wie Luftfilter,
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Die metallisierten Elektrete gemäss der Erfindung sind ferner besonders geeignet für die Speicherung von Informationen. Sie können als Bänder u. dgl. für die elektronische Speicherung von Signalen verwendet werden, wie es später näher erläutert wird.
Die neuen metallisierten Elektrete gemäss der Erfindung können aus einem elektretbildenden Stoff (nachstehend als "Elektretbildner" bezeichnet) hergestellt werden, der ein Dipolmoment von mindestens 0, 1 Debye, vorzugsweise von mindestens 0, 5 Debye, aufweist. Vorzugsweise soll der Elektretbildner einen spezifischen Volumenwiderstand von mindestens 101%, insbesondere von 101. Ohm- cm bei Raumtemperatur besitzen. Als Elektretbildner kommen z. B. Kunststoffe, wie Celluloseacetat, Polyvinylidenchlorid, Polymonochlortrifluoräthylen, Polytetrafluoräthylen, Polyvinylchlorid, Polymethacrylsäuremethylester, insbesondere aber Polyäthylenterephthalat in Betracht.
Ferner können anorganische Stoffe, wie keramische Stoffe u. dgl., als Elektretbildner verwendet werden, wie z. B. Erdalkalititanate,-zirkonateod. dgl. in keramischer Form oder in Einkristallform.
Der Elektretbildner wird vorzugsweise in Form eines Flächengebildes oder einer Folie mit einer Dicke von etwa 2, 54 li bis 1, 27 mm und der gewünschtenBreite eingesetzt. Zum Beispiel kann das Flächengebilde oder die Folie eine Dicke von etwa 0, 127 mm und eine Breite von etwa 2, 5 cm oder weniger oder von 3 m oder mehr besitzen.
Der Elektretbildner ist mit einer elektrisch leitenden Schicht, z. B. aus Metall oder Kohle, versehen, die eine Auflage auf dem Elektretbildner bildet.
Der elektrisch leitende Stoff soll vorzugsweise die Form einer gleichmässigen Schicht mit einer Dicke von mindestens 100 haben. Die Schicht kann eine abgeschiedene Schicht aus Aluminium, Sil- 0er, Nickel, Kupfer od. dgl. sein, die durch Vakuumbedampfung, Aufstäuben oder auf sonstige Weise aufgetragen ist. Eine solche Schicht kann von molekularer Dicke bis zu einer Dicke von 0, 25 mm oder mehr variieren, sofern sie nur als elektrischer Leiter wirkt. Der elektrisch leitende Stoff kann auch in Form eines Bleches oder einer Folie aus Metall, wie Aluminium, Zinn, Silber, Nickel, Kupfer, rostfreiem Stahl, mit einer Dicke von 0, 25 bis 25 mm oder mehr vorliegen.
Der elektrisch leitende Stoff, der vorzugsweise aus einem Metall, wie Kupfer, Bronze oder Messing, besteht, soll sich vorzugsweise über die ganze Oberfläche einer der elektrisch geladenen Seiten des Elektretbildners erstrecken.
Es können auch andere Leiter als Metall für die elektrisch leitende Schicht verwendet werden, sofern sie sich nur auf dem Elektretbildner hinreichend festhalten, als gleichmässige Schichtherstellen lassen und elektrisch leitend sind. Zum Beispiel kann eine dünne Klebstoffschicht mit gleichmässig darin verteilten Graphitteilchen, Kohleteilchen oder Metallteilchen verwendet werden, die der Schicht elektrische Leitfähigkeit verleihen.
Für gewisse Anwendungszwecke ist es vorteilhaft, einen magnetischen Stoff für die elektrisch leitende Schicht zu verwenden. Zum Beispiel kann die elektrisch leitende Schicht eine magnetische Nikkel-Eisenlegierung aufweisen, die auf den Elektretbildner als dünner Film aufgebracht wird. Andere magnetische Stoffe sind Eisen, Nickel und Kobalt in verschiedenen Formen und Kombinationen. Eine besonders wirksame magnetische und elektrisch leitende Schicht lässt sich aus Nickel-Eisenlegierungen, wie den unter dem Markennamen "Permalloy" bekannten herstellen. Diese Legierungen und Verfahren zu ihrer Herstellung sind in"Physics ofThin Films, Advences in ResearchandDevelopmenf'. Bd-l [1963], S. 277 bis 334, herausgegeben von Georg Hass (Verlag Academic Press, New York und London) beschrieben.
Eine solche magnetische und elektrisch leitfähige Schicht übernimmt eine doppelte Aufgabe und eignet sich für Anwendungszwecke, bei denen es auf die Speicherung umfangreicher Informationen ankommt, da die Information von einem solchen Stoff sowohl magnetisch als auch elektrisch festgehalten werden kann. Magnetische Stoffe dieser Art eignen sich auch zum Filtrieren von elektrisch geladenen Aerosolen.
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Wenn ein Metallblech oder eine Metallfolie verwendet wird, kann sie auf dem Elektretbildner mit einem Klebstoff befestigt werden oder dadurch, dass man den Elektretbildner teilweise schmilzt oder löst, so dass er selbst als Klebstoff wirkt.
Die metallisierte Auflage kann auf jede der beiden elektrisch geladenen Seiten des Elektreten, d. h. entweder auf die positive oder auf die negative Seite desselben, aufgebracht werden, wenn der Elektret- bildner bereits in einen Elektreten übergeführt worden ist.
Die metallisierte Auflage kann aber auch auf den Elektretbildner aufgebracht werden, bevor dieser in einen Elektreten umgewandelt wird. In diesem Falle kann die Metallauflage, wenn sie die Form eines
Bleches hat, mit einem Klebstoff auf den Elektretbildner aufgebracht werden. Ebenso kann die Metall- auflage aufgebracht werden, indem man den Elektretbildner teilweise schmilzt, so dass er selbst als
Klebstoff wirkt. Die metallische oder metallisierte Auflage kann auch auf den Elektretbildner vor oder nach dessen Umwandlung in einen Elektreten durch übliche Vakuumverdampfung u. dgL aufgebracht werden. Zum Beispiel kann man eine im Handel erhältliche metallisierte Polyäthylenterephthalatfolie als metallisierten Elektretbildner verwenden und gemäss der Erfindung in einen metallisierten Elektreten umwandeln.
Es ist vorteilhaft, die metallisierte Auflage auf den Elektretbildner vor dessen Überführung in einen
Elektreten aufzubringen, da in diesem Falle die metallisierte Auflage bei der Herstellung desElektreten, bei der dem Elektretbildner eine elektrische Ladung erteilt wird, als eine der Elektroden verwendet wer- den kann.
Die metallisierten Elektrete gemäss der Erfindung sind Elektrete mit zwei gegenüberliegenden Sei- ten, die voneinander abweichende elektrische Ladungen aufweisen, wobei eine der beiden Seiten auf praktisch ihrer ganzen Oberfläche einen anhaftenden, elektrisch leitenden Überzug besitzt. Unter den hier verwendeten Ausdruck"metallisierte Elektrete"fallen also alle Elektrete mit einer daran anhaf- tenden, elektrisch leitenden Schicht, gleich ob die Schicht aus Metall, Kohle oder irgendeinem andern, elektrisch leitenden Stoff besteht.
Die elektrisch leitende Schicht kann eine Folie aus einem Leiter, wieAlu- minium- oder Zinnfolie, oder eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Material, wie Kohleteilchen, Graphit-, Messing-, Kupfer-oder Bronzeteilchen, sein, die unter Verwendung eines geeigneten Klebstoffes, wie Nitrocellulose, Polyurethan, Äthylcellulose, Wachs u. dgl., aufgespritzt ist. Ebenso kann sie aus einem Leiter, wie Aluminium, bestehen, der durch Vakuumbedampfung auf dem Elektreten oder dem Elektretbildner abgeschieden ist, oder die leitende Schicht kann auf andere geeignete Weise aufgebracht werden.
Die Elektrete können vor oder nach dem Aufbringen der metallisierten Auflage auf den Elektretbildner hergestellt werden. In beiden Fällen können die gleichen Bedingungen angewendet werden, um den Elektretbildner in einen Elektreten umzuwandeln. Die nachfolgend beschriebene allgemeine Methode zur Umwandlung von Elektretbildnern in Elektrete eignet sich in gleicher Weise zur Herstellung von Elektreten aus Elektretbildnern mit oder ohne metallische Auflage. Als Elektretbildner können hiebei alle bekannten Elektretbildner verwendet werden.
Das im Rahmen der Erfindung besonders gut verwendbare Polyäthylenterephthalat kann z. B. in Folienform vorliegen. Ebenso kann man ein festes Stück, z. B. eine Scheibe aus Polyäthylenterephthalat, oder auch einen festen Körper verwenden, der hauptsächlich aus Polyäthylenterephthalat besteht, aber noch geringe Mengen anderer Stoffe enthalten kann. Das Material kann auch mit wasserabweisenden Stoffen, wie Siliconharz oder Polytetrafluoräthylen, beschichtet sein. Ebenso kann man Halbleiter oder Ferroelektrika, wie Barium- oder Calciumtitanat, oder Körper verwenden, die mit Harzen beschichtet sind, welche solche Halbleiter oder Ferroelektrika enthalten.
Das Verfahren zur Herstellung des Elektretteiles der erfindungsgemässen metallisierten Elektrete besteht im allgemeinen darin, dass man ein massives Stück aus dem Elektretbildner zwischen zwei Elektroden einbringt und an den Elektretbildner mit Hilfe der beiden Elektroden bei höherer Temperatur ein elektrisches Feld anlegt.
Das elektrische Feld kann von etwa 0, 001 bis 1000 kV/cm variieren, beträgt aber vorzugsweise etwa 50 bis 100 kV/cm. Das elektrische Feld stammt aus einer Gleichstromquelle, die mit mindestens einem Paar von Elektroden, z. B. flachen Platten, verbunden ist.
Der so entstehende Aufbau besteht z. B. aus einer Polyäthylenterephthalatscheibe, die sich zwischen zwei Stücken aus Aluminiumfolie befindet, wobei jede der beiden Aluminiumfolien mit einer Elektrode aus rostfreiem Stahl in Kontakt steht. Der Elektretbildner soll vorzugsweise grösser sein als die Elektroden aus rostfreiem Stahl, so dass ein Rand von mindestens 20 mm übersteht, um ein Durchschlagen des elektrischen Stromes in der umgebenden Atmosphäre zu verhindern. Die Scheibe wird, z. B. in dem soeben
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beschriebenen Aufbau, im Ofen auf eine Temperatur erhitzt, die mindestens der Einfriertemperatur des Elektretbildners entspricht, den Erweichungspunkt desselben aber nicht übersteigt. Für Polyäthylenterephthalat kann diese Temperatur im Bereich von etwa 80 bis 1700C liegen.
Auf diese Temperatur wird die Scheibe oder der Zusammenbau innerhalb einer Vorerhitzungszeit gebracht, die ausreicht, um die Scheibe oder den Zusammenbau auf eine gleichmässige Temperatur zu erhitzen, d. h. so lange, bis in der Scheibe praktisch kein Temperaturgefälle mehr besteht. Vorzugsweise erfolgt das Vorerhitzen bei Atmosphärendruck ; es kann jedoch auch bei höheren oder niedrigerenDrücken durchgeführt werden. Die Scheibe aus dem Elektretbildner kann auch ohne Aluminiumfolie und ohne Elektroden aus rostfreiem Stahl auf diese Temperaturen vorerhitzt werden. Ebenso können andere Werkstoffe als Aluminium und andere Elektrpdenwerkstoffe verwendet werden.
Vorzugsweise wird aber der ganze Zusammenbau in der beschriebenen Weise erhitzt, weil es hiedurch leichter wird, die Elektretbildnerscheibe während des weiteren Verfahrensganges auf dieser Temperatur zu halten.
Nach dem Vorerhitzen wird die Scheibe oder der Zusammenbau einer zweiten Verfahrensstufe unterworfen, in der der Elektretbildner auf einer Temperatur oberhalb der Einfriertemperatur und unterhalb des Erweichungspunktes gehalten wird. Im Falle von Polyäthylenterephthalat wird die Scheibe normalerweise auf einer Temperatur von etwa 80 bis 1700C gehalten. Das Polyäthylenterephthalat kann aber auch z. B. auf 6000C erhitzt werden, sofern nur die Erhitzungszeit kurz genug ist, z. B. 1 tisec, damit die Scheibe nicht erweicht. Während der Elektretbildner auf der oben angegebenen Temperatur gehalten wird, wird zwischen den Elektroden eine Spannung angelegt, die eine Feldstärke von etwa 0, 001 bis 1000 kV/cm, vorzugsweise von etwa 50 bis 200 kV/cm, ergibt.
Diese Spannung wird im Verlaufe von etwa 1 usec bis 12 h oder länger, vorzugsweise im Verlaufe von etwa 1 psec bis 5 h, inne gehalten.
Nachdem die Scheibe dieser zweiten Verfahrensstufe unterworfen worden ist, wird in einer dritten Verfahrensstufe die Spannung auf der gleichen Höhe gehalten wie in der zweiten Stufe, das Erhitzen wird jedoch unterbrochen und die Scheibe, z. B. durch Überleiten von Luft, gekühlt oder einfach erkalten gelassen, wobei sie in dem gleichen elektrischen Feld gehalten wird, Die Scheibe kann auf eine Temperatur von -300C oder darunter gekühlt werden ; vorzugsweise soll sie auf eine Temperatur nicht über + 300C gekühlt werden. Vorzugsweise lässt man die Scheibe in dem elektrischen Feld auf Raumtemperatur (etwa 20 bis 30 C) erkalten. Die Dauer dieser Verfahrensstufe des Abkühlens kann etwa 1 lises bis 12 h oder mehr betragen.
Die Kühlung kann in dem gleichen Ofen oder der gleichen Heizkammer wie die zweite Verfahrensstufe durchgeführt werden ; dies ist aber nicht erforderlich. Dann kann der Elektret von den Elektroden und gegebenenfalls der Aluminiumfolie oder der sonstigen Folie getrennt werden, worauf er der Verwendung zugeführt werden kann.
Gegebenenfalls kann der fertige Elektret in einer Art Schutzgehäuse, z. B. einer Umhüllung aus Aluminiumfolie od. dgl., untergebracht werden, damit die elektrischen Ladungen bis zur Verwendung erhalten bleiben.
Bei der Herstellung von Elektreten ist es technisch vorteilhaft, kontinuierlich zu arbeiten. Dies erfolgt normalerweise unter Verwendung von Walzen, wobei der Elektretbildner je nach den besonderen Erfordernissen um die beheizten oder gekühlten Walzen herumgeführt wird. Eine Schwierigkeit bei dieser Herstellungsweise ergibt sich daraus, dass für den Kontakt des Elektretbildners mit dem elektrischen Feld und für die Einwirkung der hohen oder tiefen Temperaturen verschiedene Zeitdauern erforderlich sind. Anordnungen, die besonders vorteilhaft sind, um den gewünschten Grad des elektrischen Kontaktes und der Temperaturkontrolle zu erzielen, werden nachstehend beschrieben.
Eine der wirksamstenMethoden zur Anwendung des kontinuierlichen Verfahrens zur Herstellung von erfindungsgemässen metallisierten Elektreten beruht auf der Verwendung der metallisierten Auflage als Elektrode. Bevorzugt werden dabei Herstellungsverfahren, bei denen die metallisierte Auflage auf dem Elektretbildner mit beispielsweise Bürsten oder Rollen in Kontakt gebracht wird, so dass ihr eine elektrische Ladung und der andern (nichtmetallisierten) Seite des Elektretbildners eine Ladung von entgegengesetztem Vorzeichen erteilt wird. Während der Ausbildung dieser elektrischen Ladung wird der metallisierte Elektretbildner erst durch eine Hochtemperaturzone und dann, wie oben beschrieben, durch eine Zone niedriger Temperatur geführt.
Die so hergestellten erfindungsgemässen Elektrete können in Filtern für Tabakrauch verwendet werden. Zum Beispiel können sie in Zigarettenfiltern verwendet werden, wenn sie in Stücke von etwa 12, 7 Jl Dicke, 2 mm Breite und 5 bis 20 mm Länge geschnitten und gekräuselt oder ungekräuselt in Längsrichtung in einem herkömmlichen Filterzylinder so angeordnet werden, dass ein Ende eines jeden Stückes mit dem Mund des Rauchers in Berührung kommt und infolgedessen durch die Feuchtigkeit geerdet wird.
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Die Wirksamkeit der erfindungsgemässen Elektrete als Bestandteil von Filtern für Tabakrauch beruht darauf, dass sie dem Rauch elektrisch geladene Teilchen entziehen.
Der nichtgasförmige Teil des Zigarettenrauches besteht, unter dem elektrischen Gesichtspunkt be- trachtet, aus drei Arten von Teilchen. Der Rauch enthält positiv geladene Teilchen, negativ geladene
Teilchen und neutrale Teilchen. Gewöhnlich ist etwa die Hälfte oder etwas weniger der Teilchen des
Tabakrauches elektrisch neutral, während der Rest aus etwa gleichen Mengen positiver und negativer
Teilchen besteht.
Das Entfernen von geladenen Teilchen aus Tabakrauch hat sich oft als zweckmässig erwiesen, um dem Rauch in selektiver Weise unerwünschte Bestandteile zu entziehen und den Gesamtwirkungsgrad des
Filters zu erhöhen.
Es ist auch anzunehmen, dass durch die Entfernung gewisser geladener Teilchen aus dem Rauch be- stimmte physiologische und psychologische Wirkungen erzielt werden. Filter, die die metallisierten Elektrete gemäss der Erfindung enthalten, ermöglichen die gesteuerte Entfernung einer oder beider Arten von elektrisch geladenen Teilchen aus dem Tabakrauch. Sie können auch andern Verwendungszwecken zugeführt werden, bei denen Fremdstoffteilchen aus Gasen entfernt werden müssen.
Man hat zwar schon Elektrete verwendet, um dem Tabakrauch gewisse elektrisch geladene Teil- chen zu entziehen ; dieseElektrete hatten jedoch nur einen beschränkten Wirkungsgrad. Da dieElektrete auf beiden Selten entgegengesetzte Ladungen aufweisen, kann sich kein elektrisches Gesamtfeld ausbilden, wenn sie in einem Filter oder einer sonstigen Vorrichtung verwendet werden. Es gibt also keine Möglichkeit, bei der Verwendung solcher Stoffe eine Selektivität zu erzielen, es sei denn, dass man ungewöhnliche und schwierige Massnahmen ergreift, um die Elektrete in das Filter in einer solchen Weise einzubringen, dass sich die Ladungen zur Erzielung des gewünschten Ergebnisses steuern lassen. Mit andern Worten : es gibt keine wirksame Möglichkeit, um solche Elektrete zu erden.
Die metallisiertenElektrete gemäss der Erfindung weisen diesen Nachteil der gewöhnlichenElektrete nicht auf und ermöglichen die Herstellung einer neuen Art von elektrisch geladenem Material für Filter.
Die Verwendung der erfindungsgemässen metallisierten Elektrete in Filtern ermöglicht eine vorteilhafte Verteilung einzelner Ladungen in einem Filter unter genauer Steuerung der Ladungsverteilung in dem Filter.
Die Ursache für die Wirksamkeit der erfindungsgemässen metallisierten Elektrete liegt wahrscheinlich darin, dass diese besondere Anordnungsweise zu einer einzigen Ladung auf der metallisierten Elektreteinheit führt. Das Prinzip, auf dem diese Wirkung beruht, ist aus Fig. 1 der Zeichnungen ersichtlich.
Man sieht, dass das Dielektrikum 30 bei A eine positive und bei B eine negative Ladung besitzt. An der negativen Seite ist eine Metallfolie 31 befestigt, wodurch infolge des sogenannten Bildeffektes bei C eine positive Ladung eingefangen und nach D eine negative Ladung abgestossen wird. Die Ladung bei D kann leicht geerdet werden. Da sich die Ladungen bei B und C gegenseitig neutralisieren, bleibt nur die positive Ladung bei A übrig. Diese einzige Ladung ist ausserordentlich beständig.
Es wurde gefunden, dass man mit den metallisierten Elektreten gemäss der Erfindung stark erhöhte elektrische Ladungen erhält. Die Ladungserhöhung ist von überraschender Grösse ; sie beträgt nämlich das Drei- bis Vierfache von derjenigen Ladung, die man ohne leitende Auflage erhält. Diese erhöhten Ladungen sind, wie sich herausgestellt hat, vollständig reproduzierbar. Die Hauptursache für dieses überraschende Ergebnis dürfte darin zu suchen sein, dass der dünne Metallfilm, der an dem Kunststoffkörper anhaftet, einen besseren elektrischen Kontakt gibt und daher einengleichmässigerenund stärkeren elektrischen Stromfluss ermöglicht.
Die metallisierten Elektrete gemäss der Erfindung ermöglichen auch die Herstellung eines neuen Materials und die Anwendung einer neuen Methode zum Speichern von Informationen. Sie können als auf elektrische Impulse ansprechende Bänder für Tonbandgeräte u. ähnl. Vorrichtungen verwendet werden, da sie sich für die Überlagerung eines Musters von elektrischen Signalen auf der geladenen Elektretoberfläche anpassen lassen, die dem Elektret unter ähnlichen Bedingungen mitgeteilt werden können, wie sie oben beschrieben sind.
Es ist auch möglich, ein metallisiertes Elektretbildnerband zu verwenden, auf dem eine Reihe von Signalen nach den oben beschriebenen Methoden überlagert wird, so dass aus dem Band im Endeffekt eine Reihe von Elektreten entsteht, die entweder unmittelbar oder über elektrisch ungeladene Zwischenräume miteinander verbunden sind. Solche Bänder sind besonders wertvoll, wenn die metallisierte Auflage auf dem Elektretbildner magnetisch ist, da auf solchen Bändern zwei verschiedene Arten von Signalen, nämlich elektrische und magnetische, überlagert werden können, so dass man gleichzeitig auf der gleichen Bandlänge zwei Signale aufnehmen kann. Solche Bänder eignen sich für Femsehaufnahmen,
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bei denen ein visuelles Signal und ein Audiosignal gleichzeitig empfangen und registriert werden.
Da die metallisierten Elektretbildner gemäss der Erfindung imstande sind, elektrische Ladungen von verschiedenem Grade und bzw. oder entgegengesetztem Vorzeichen festzuhalten, selbst wenn die Ladungen sich in unmittelbarer Nachbarschaft voneinander befinden, können sie, wie oben erwähnt, als Registrierbänder, aber auch zur Herstellung von Filterelementen verwendet werden. Solche Filterelemente können die verschiedensten Ladungen in den verschiedensten Mustern aufweisen und für die Anwendung in Filtern die verschiedensten Formen aufweisen, so dass sich positive und negative Ladungen in vielen verschiedenen Arten so anordnen lassen, dass die Probleme der jeweiligen Aerosolfiltration am besten gelöst werden.
Für gewisse Anwendungszwecke ist es besonders vorteilhaft, wenn die metallisierte Auflage magnetisch ist, so dass man in dem betreffenden Filter sowohl elektrische als auch magnetische Mittel anwenden kann, um dem Aerosol die unerwünschten Teilchen zu entziehen.
Zur weiteren Erläuterung dieser Ausführungsform der Erfindung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen. In diesen zeigen Fig. 1 eine längengetreue Ansicht eines gemäss der Erfindung hergestellten Elektreten, Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung von erfindungsgemässen Elektreten, Fig. 3, 5 und 7 Endansichten von Zigaretten, die Elektrete gemäss der erfindung enthalten, Fig. 4 einen Längsschnitt, teilweise weggebrochen, durch die Zigarette gemäss Fig. 3 nach der Linie 4-4, Fig. 6 einen Längsschnitt, teilweise weggebrochen, durch die Zigarette gemäss Fig. 5 nach der Linie 6-6, Fig. 8 einen Längsschnitt, teilweise weggebrochen, durch die Zigarette gemäss Fig. 7 nach der Linie 8-8, Fig. 9 bis 11 erläutern schematisch Herstellungsverfahren für den erfindungsgemässen Elektretret.
Fig. 1 zeigt die Elektretbildnerschicht --30-- mit der daran anhaftenden, elektrisch leitenden Schicht --31--. In dem Elektretbildner sind positive Ladungen bei --A-- und negative Ladungen bei - angedeutet. In der elektrisch leitenden Schicht sind positive Ladungen bei --C-- und negative Ladungen bei --D-- angedeutet.
Fig. 2 erläutert eine bevorzugte Ausführungsform zur Herstellung von erfindungsgemässen Elektreten.
Die Elektretbildnerfolie --40-- mit der daran anhaftenden, elektrisch leitenden Schicht --41-- wird durch die Öffnung --42-- in die Zone --A-- eingeführt. Die Zone --A-- wird auf einer Temperatur oberhalb der Einfriertemperatur und unterhalb des Erweichungspunktes des Elektretbildners gehalten.
Durch die elektrische Leitung --43-- wird der Bürste --44-- eine positive Ladung erteilt. Die Bürste - befindet sich in elektrischem Kontakt mit der Oberfläche der durch die Zone --A-- vorrücken- den elektrisch leitenden Schicht--41--. Die negativ geladenen Walzen--45 und 46-- laufen in der durch die Pfeile angedeuteten Richtung um und treiben das Förderband --47--, welches den Elektretbildner --40-- mit seiner elektrisch leitenden Schicht --41-- trägt.
Auf diese Weise wird der Elektretbildner --40-- mit der Schicht --41-- durch die Zone --A-- gefördert und verlässt die Zone --A-durch die Öffnung --49a--. Das Förderband --47-- besteht aus elektrisch leitendem Werkstoff, wie poliertem rostfreiem Stahl, und die elektrische Ladung der Walzen --45 und 46-- wird dem Förderband - mitgeteilt, so dass zwischen der Oberfläche des Förderbandes --47-- und dem leitenden Belag - auf dem Elektretbildner ein elektrisches Feld besteht
Wenn der Elektretbildner --40-- und der elektrisch leitende Belag --41-- die für die erste Behandlung der metallisierten Elektretbildnerfolie erforderliche Verweilzeit in der Zone --A-- erreicht haben, d. h.
wenn die durch die Spannung zwischen dem Förderband --47-- und der metallisierten Oberfläche - des Elektretbildners erzeugte Feldstärke von etwa 0, 001 bis 1000 kV/cm etwa 1 lises bis 12h oder länger zur Einwirkung gebracht worden ist, treten der Elektretbildner --40-- und die elektrisch leitende Schicht --41-- durch die Öffnung --49a-- in die Zone --B-- ein, wo sie auf einer Temperatur unter etwa 300C gehalten werden, bis das metallisierte Material ebenfalls eine Temperatur unter 300C erreicht hat.
Der Elektretbildner --40-- und die elektrisch leitende Schicht --41-- verlassen die Zone - durch die Öffnung --48--. Das Förderband --47 -- läuft zwischen den beiden Zonen abwechselnd durch die Öffnungen --49a und 49b-- hin und her.
Fig. 3 und 4 zeigen eine Zigarette --61-- mit einem Papierzylinder --62--, der den Körper der Zigarette begrenzt. In dem Zylinder --62-- befindet sich zerkleinerter Tabak --63--. Am'Ende des zerkleinerten Tabaks befindet sich der Papierzylinder-64-, der an ein Ende des Papierzylinders --62-anstösst. Der Zylinder --64-- begrenzt das Zigarettenfilter. Das Filter ist mit dem von dem Papierzylinder --62-- begrenzten Tabakabschnitt durch denPapierzylinder --65-- verbunden, der den ganzen Papierzylinder --64-- und einen Teil des Papierzylinders --62-- bedeckt. Der von dem Papierzylinder - begrenzte Filterabschnitt enthält metallisierte Elektrete --66--, die aus je einer Elektretschicht --66a-- und einer Metallschicht --66b-- bestehen.
Der metallisierte Elektret --66-- ist in dem Zylin- der --64-- spiralförmig aufgewickelt. Bei dieser Ausführungsform sind die Zwischenräume zwischen
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Potential angelegt wird.
Fig. 11 zeigt eine ähnliche Anordnung wie Fig. 10, wobei jedoch die Rollen --6 und 7- dazu dienen, de metallisierten Elektretbildner --1'-- zwischen den Punkten --B und C-- mit der Walze --4'-in stärkere Berührung zu bringen. Diese Anordnung ermöglicht eine wirksamere Herstellung von metallisierten Elektreten als die Anordnung gemäss Fig. 10.
Zur Erläuterung der Überlegenheit von metallisierten Elektreten im Vergleich zu nichtmetallisierten Elektreten werden zwei Versuche durchgeführt. Im ersten Versuch wird ein nichtmetallisierter Elektret, im zweiten Versuch ein metallisierter Elektret hergestellt. Diese beiden Versuche sind nachstehend als Beispiele 1 und 2 wiedergegeben ; von ihnen bezieht sich nur Beispiel 2 auf die Erfindung.
Beispiel l : Proben von 25, 4 dicker Polyäthylenterephthalatfolie werden zwischen Elektroden aus Aluminiumfolie erhitzt, bis sie eine Temperatur von 150 C erreichen. Dann wird an die Vorrichtung ein Gleichfeld von 200 kV/cm angelegt, wobei die Temperatur auf 1500C gehalten wird. Hierauf lässt man die Proben im elektrischen Feld auf 300C erkalten. Die Zeitspanne, für die die Folie bei den angegebenen Temperaturen der Einwirkung des elektrischen Feldes ausgesetzt wird, und die dabei erzeugten Oberflächenladungsdichten sind in Tabelle I angegeben.
Tabelle I
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<tb>
<tb> Zeitspanne <SEP> der <SEP> Einwirkung <SEP> Oberflächenladungsdichte
<tb> des <SEP> elektrischen <SEP> Feldes <SEP> (min) <SEP> (Heteroladung)
<tb> bei <SEP> 1500C <SEP> Zeit <SEP> zum <SEP> Erkalten <SEP> 10-9 <SEP> Coulomb/cm
<tb> auf <SEP> 300C
<tb> 0 <SEP> 75 <SEP> 27, <SEP> 2 <SEP>
<tb> 0 <SEP> 40 <SEP> 21, <SEP> 0 <SEP>
<tb> 120 <SEP> 40 <SEP> 17, <SEP> 0 <SEP>
<tb> 30 <SEP> 60 <SEP> 12,7
<tb>
Beispiel 2 : Proben von einseitig mit Aluminium beschichteter, 25, 4 jeu dicker Polyäthylenterephthalatfolie werden gemäss Beispiel 1 behandelt. Das Polyäthylenterephthalatwird zwischen Elektroden aus rostfreiem Stahl im Ofen auf 1500C erhitzt und dann gemäss Beispiel 1 erkalten gelassen.
Die Versuchsbedingungen und die entstehenden Ladungen sind in Tabelle Il angegeben.
Tabelle II
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<tb>
<tb> Zeitspanne <SEP> der <SEP> Einwirkung <SEP> Oberflächenladungsdichte
<tb> des <SEP> elektrischen <SEP> Feldes <SEP> (min) <SEP> (Heteroladung)
<tb> bei <SEP> 1500C <SEP> Zeit <SEP> zum <SEP> Erkalten <SEP> 10-9 <SEP> Coulomb/cm2
<tb> auf <SEP> 30 C
<tb> 5 <SEP> 20 <SEP> 48
<tb> 12 <SEP> 20 <SEP> 44
<tb> 180 <SEP> 20 <SEP> 40
<tb> 5400 <SEP> 60 <SEP> 40
<tb>
Beispiele 3 und 4 : Eine Probe einer metallisierten, 25, 4 Jl dicken Polyäthylenterephthalatfolie
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auf Raumtemperatur gekühlt, die nichtmetallisierte Folie innerhalb 25 min und die metallisierte Folie innerhalb 20 min. Während des gesamten Erhitzungs- und Erkaltungsvorganges wird an die metallisierte Seite der metallisierten Folie sowie auch an die nichtmetallisierte Folie eine negative Spannung von 500 V angelegt.
Der auf diese Weise erhaltene nichtmetallisierte Elektret besitzt auf jeder Seite eine Ladungsdichte von 8, 8 x 10-9 Coulomb/cm , jedoch von entgegengesetzter Polarität. Die mit Aluminium metallisierte Folie zeigt auf der nichtmetallisierten Seite eine Ladungsdichte von -40 X 10-9 Coulomb/cm und auf der metallisierten Seite die Ladung Null. Beide Elektrete besitzen stabile
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Heteroladungen.
In der vorliegenden Beschreibung beziehen sich Teile und Prozentangaben, falls nicht anders angegeben ist, auf Gewichtsmengen.
Das Dipolmoment ist eine mathematische Grösse. Es ist das Produkt aus einer der Ladungen einer Dipoleinheit und dem Abstand zwischen den beiden Ladungen in der Dipoleinheit.
Der spezifische Volumenwiderstand ist der elektrische Widerstand, den ein Kubikzentimeter eines Stoffes dem Durchgang des elektrischen Stromes senkrecht zu zwei parallelen Flächen des Würfels entgegensetzt.
Die Einfriertemperatur, die auch als Glastemperatur, Glasübergangstemperatur oder Übergangstemperatur zweiter Ordnung bezeichnet wird, ist diejenige Temperatur, bei der bei einem amorphen Kunststoff oder im amorphenBereich eines kristallinen Kunststoffes die Kurven für die freie Energie, Entropie und Enthalpie kontinuierlich sind und die Kurve der Wärmekapazität diskontinuierlich ist. Die Einfriertemperatur ist derjenige Punkt, bei dem eine Änderung in der molekularen Freiheit eines Stoffes auftritt, und sie ist weiter als der Punkt gekennzeichnet, bei dem der betreffende Stoff aus dem starren Zustand in einen kautschukartigen Zustand übergeht.
Der Schmelzpunkt, der auch als Übergangstemperatur erster Ordnung bezeichnet werden kann, ist diejenige Temperatur, bei der die Kurve der freien Energie kontinuierlich ist und die Kurven der Entropie, Enthalpie und Wärmekapazität diskontinuierlich sind.
Der Erweichungspunkt, auch Erweichungstemperatur genannt, liegt unter dem Schmelzpunkt des betreffenden Stoffes. Bei amorphen Kunststoffen von hohem Molekulargewicht wird gewöhnlich kein scharfer Schmelzpunkt beobachtet. Der Temperaturbereich des Übergangspunktes, bei dem ein Stoff ohne scharfen Schmelzpunkt bei Bestimmung mit demPlastometer aus dem Zustand des viscosen Flusses in denjenigen des plastischen Flusses übergeht, wird Erweichungspunkt genannt. Wenn einem Stoff kein Erweichungspunkt zugeordnet werden kann, wird im Sinne der Erfindung der Schmelzpunkt als die obere Grenze des hier angegebenen Temperaturbereiches betrachtet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektret, insbesondere zum selektiven Entfernen von Teilchen aus Rauch, z. B. Tabakrauch, durch Filtrieren, mit mindestens zwei parallelen Oberflächen, die einander entgegengesetzte, elek-
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flächen eine Schicht aus elektrisch leitendem Material anhaftet.
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Electret
The invention relates to electrets, particularly for the selective removal of particles from smoke, e.g. B. tobacco smoke, by filtering.
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exhibits, the polarization not only being limited to the surface, but extending through the entire volume of the dielectric.
Electrets are already made of many materials including plastics, such as polyvinyl chloride, or carnauba wax with various additives such as ester resins and the like. Like., Has been produced. So are z. B. from German Patent No. 928 842 electrets have become known, which have a layer of electrically conductive material on both sides. These electrets are intended for high electrical voltages and act somewhat like a battery. For this purpose, several disc-shaped electrets, reinforced on both sides with foils, are placed on top of one another. However, like the normal electrets (without a conductive coating), these electrets also have only a limited degree of efficiency, since opposing charges occur on both sides and thus no overall electrical field can develop.
In the article "Harz-Elektrete", published in ETZ-B, 11th year, H 9/1959, pp. 359 to 364, reference is made to short-circuited electrets. However, it obviously describes potential differences between the electrodes and not electrostatic fields. A polarized dielectric that has an external metallic surface is electrostatically shielded, but it can still have a potential between the surfaces. It is also mentioned in this article that the use of electrets as electrostatic dust filters has apparently been unsuccessful because strongly inhomogeneous fields are difficult to achieve with electrets.
The aim of the invention is to provide an electret which eliminates these disadvantages and which is particularly good for the purposes of filtering dust and the like. the like. is suitable, d. H. which is able to maintain a particularly high electrostatic field over a long period of time.
This is used with an electret, particularly for the selective removal of particles from smoke, e.g. B.
Tobacco smoke, achieved according to the invention by filtering with at least two parallel surfaces which have opposing electrical charges, in that a layer of electrically conductive material adheres to only one of the two surfaces. According to the invention, only one surface of the electret is shielded so that the electrostatic field is still present on the opposite surface and can thus be made effective, for example, for filtering tobacco smoke.
As is known per se, the two parallel surfaces can expediently be designed to be flat. Since the electrets according to the invention for the first time offer the possibility of applying either a positive or negative charge to a certain side of the electret, according to a further embodiment of the invention the electret is characterized in that it is placed on the
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metallized side opposite side has an opposite charge.
The metallized electrets according to the invention are particularly suitable for use in filters for tobacco smoke, since they have higher charges than the previously known electrets and consequently remove the undesired components from the tobacco smoke to a greater extent, and because they provide a simple and effective arrangement of electrically charged substances enable in a filter.
According to the invention, new metallized electrets are thus created which are superior in their properties to the previously known electrets. In addition to their special value for tobacco smoke filters, the new metallized electrets have also been used for other types of filters, such as air filters,
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The metallized electrets according to the invention are also particularly suitable for storing information. They can be used as ribbons u. Like. Used for the electronic storage of signals, as will be explained in more detail later.
The new metallized electrets according to the invention can be produced from an electret-forming substance (hereinafter referred to as "electret-forming agent") which has a dipole moment of at least 0.1 Debye, preferably of at least 0.5 Debye. The electret former should preferably have a volume resistivity of at least 101%, in particular 101 ohm-cm, at room temperature. As electret formers z. B. plastics, such as cellulose acetate, polyvinylidene chloride, polymonochlorotrifluoroethylene, polytetrafluoroethylene, polyvinyl chloride, polymethacrylic acid methyl ester, but especially polyethylene terephthalate.
Furthermore, inorganic substances such as ceramic substances and. Like., Can be used as electret formers, such as. B. alkaline earth titanates, zirconates, etc. Like. In ceramic form or in single crystal form.
The electret former is preferably used in the form of a sheet or a film with a thickness of about 2.54 to 1.27 mm and the desired width. For example, the sheet or film can have a thickness of about 0.17 mm and a width of about 2.5 cm or less or of 3 m or more.
The electret former is coated with an electrically conductive layer, e.g. B. made of metal or carbon, which forms a support on the electret former.
The electrically conductive material should preferably have the form of a uniform layer with a thickness of at least 100. The layer can be a deposited layer of aluminum, silver, nickel, copper or the like, which is applied by vacuum vapor deposition, sputtering or in some other way. Such a layer can vary from a molecular thickness to a thickness of 0.25 mm or more, provided it only acts as an electrical conductor. The electrically conductive material can also be in the form of a sheet or a foil made of metal such as aluminum, tin, silver, nickel, copper, stainless steel, with a thickness of 0.25 to 25 mm or more.
The electrically conductive material, which preferably consists of a metal such as copper, bronze or brass, should preferably extend over the entire surface of one of the electrically charged sides of the electret former.
It is also possible to use conductors other than metal for the electrically conductive layer, as long as they hold on to the electret former sufficiently, can be produced as a uniform layer and are electrically conductive. For example, a thin layer of adhesive with graphite particles, carbon particles or metal particles evenly distributed therein can be used, which give the layer electrical conductivity.
For certain applications it is advantageous to use a magnetic substance for the electrically conductive layer. For example, the electrically conductive layer can comprise a magnetic nickel iron alloy that is applied to the electret former as a thin film. Other magnetic substances are iron, nickel and cobalt in various forms and combinations. A particularly effective magnetic and electrically conductive layer can be produced from nickel-iron alloys, such as those known under the brand name "Permalloy". These alloys and processes for their production are described in "Physics of Thin Films, Advences in Research and Developments". Vol. 1 [1963], pp. 277 to 334, edited by Georg Hass (Academic Press, New York and London).
Such a magnetic and electrically conductive layer performs a double task and is suitable for applications in which the storage of extensive information is important, since the information can be retained by such a substance both magnetically and electrically. Magnetic substances of this type are also suitable for filtering electrically charged aerosols.
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If a metal sheet or foil is used, it can be attached to the electret former with an adhesive or by partially melting or dissolving the electret former so that it itself acts as an adhesive.
The metallized overlay can be applied to either of the two electrically charged sides of the electret, i.e. H. either on the positive or on the negative side thereof, if the electret former has already been converted into an electret.
The metallized layer can also be applied to the electret former before it is converted into an electret. In this case the metal plating, if it takes the form of a
Sheet has to be applied to the electret former with an adhesive. The metal coating can also be applied by partially melting the electret former so that it can act as a
Adhesive works. The metallic or metallized layer can also be applied to the electret former before or after it has been converted into an electret by conventional vacuum evaporation and the like. dgL are applied. For example, a commercially available metallized polyethylene terephthalate film can be used as a metallized electret former and converted into a metallized electret according to the invention.
It is advantageous to place the metallized layer on the electret former before it is transferred to a
To apply electrets, since in this case the metallized coating can be used as one of the electrodes in the production of the electret, in which the electret former is given an electrical charge.
The metallized electrets according to the invention are electrets with two opposite sides which have different electrical charges, one of the two sides having an adherent, electrically conductive coating on practically its entire surface. The term "metallized electrets" used here includes all electrets with an adhering, electrically conductive layer, regardless of whether the layer consists of metal, carbon or some other electrically conductive substance.
The electrically conductive layer can be a foil made of a conductor, such as aluminum or tin foil, or a layer made of an electrically conductive material, such as carbon particles, graphite, brass, copper or bronze particles, which, using a suitable adhesive, such as nitrocellulose, polyurethane, ethyl cellulose, wax and the like. Like., is sprayed on. It can also consist of a conductor, such as aluminum, deposited on the electret or electret former by vacuum vapor deposition, or the conductive layer can be applied in some other suitable manner.
The electrets can be produced before or after the metallized coating is applied to the electret former. In both cases, the same conditions can be used to convert the electret former to an electret. The general method described below for converting electret formers into electrets is equally suitable for the production of electrets from electret formers with or without a metallic coating. All known electret formers can be used as electret formers.
The particularly well usable in the context of the invention polyethylene terephthalate can, for. B. be in film form. You can also use a solid piece, e.g. B. use a disk made of polyethylene terephthalate, or a solid body, which consists mainly of polyethylene terephthalate, but may contain small amounts of other substances. The material can also be coated with water-repellent substances such as silicone resin or polytetrafluoroethylene. It is also possible to use semiconductors or ferroelectrics, such as barium or calcium titanate, or bodies which are coated with resins which contain such semiconductors or ferroelectrics.
The method for producing the electret part of the metalized electret according to the invention generally consists in placing a solid piece of the electret former between two electrodes and applying an electric field to the electret former with the aid of the two electrodes at a higher temperature.
The electric field can vary from about 0.001 to 1000 kV / cm, but is preferably about 50 to 100 kV / cm. The electric field comes from a direct current source connected to at least one pair of electrodes, e.g. B. flat plates connected.
The resulting structure is z. B. from a polyethylene terephthalate disc sandwiched between two pieces of aluminum foil, each of the two aluminum foils being in contact with a stainless steel electrode. The electret former should preferably be larger than the stainless steel electrodes so that an edge of at least 20 mm protrudes in order to prevent the electric current from breaking through in the surrounding atmosphere. The disc is, for. B. in the one just now
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described structure, heated in the oven to a temperature which at least corresponds to the freezing temperature of the electret former, but does not exceed the softening point of the same. For polyethylene terephthalate this temperature can be in the range of about 80 to 1700C.
The pane or assembly is brought to this temperature within a preheating time sufficient to heat the pane or assembly to a uniform temperature, i.e. H. until there is practically no temperature gradient in the pane. Preheating is preferably carried out at atmospheric pressure; however, it can also be carried out at higher or lower pressures. The disk from the electret former can also be preheated to these temperatures without aluminum foil and without electrodes made of stainless steel. Materials other than aluminum and other electrode materials can also be used.
Preferably, however, the entire assembly is heated in the manner described, because this makes it easier to keep the electret-forming disk at this temperature during the further process step.
After preheating, the disk or assembly is subjected to a second process stage in which the electret former is kept at a temperature above the glass transition temperature and below the softening point. In the case of polyethylene terephthalate, the disk is normally kept at a temperature of about 80 to 1700C. The polyethylene terephthalate can also, for. B. heated to 6000C, provided that the heating time is short enough, z. B. 1 tisec, so that the disc does not soften. While the electret former is kept at the temperature specified above, a voltage is applied between the electrodes which results in a field strength of about 0.001 to 1000 kV / cm, preferably of about 50 to 200 kV / cm.
This tension is maintained for about 1 µsec to 12 hours or longer, preferably for about 1 psec to 5 hours.
After the disk has been subjected to this second process stage, the voltage is maintained in a third process stage at the same level as in the second stage, but the heating is interrupted and the disk, e.g. B. by passing air, cooled or simply allowed to cool while being kept in the same electric field. The disc can be cooled to a temperature of -300C or below; preferably it should be cooled to a temperature not above + 300C. The pane is preferably allowed to cool to room temperature (about 20 to 30 ° C.) in the electric field. The duration of this process step of cooling can be about 1 hour to 12 hours or more.
The cooling can be carried out in the same furnace or the same heating chamber as the second process stage; but this is not necessary. The electret can then be separated from the electrodes and, if appropriate, the aluminum foil or other foil, whereupon it can be put to use.
Optionally, the finished electret can be placed in a kind of protective housing, e.g. B. od an envelope made of aluminum foil. Like., Are housed so that the electrical charges are retained until use.
When producing electrets, it is technically advantageous to work continuously. This is normally done using rollers with the electret former being passed around the heated or cooled rollers depending on the particular requirements. A difficulty with this method of production arises from the fact that different periods of time are required for the electret former to come into contact with the electric field and for the high or low temperatures to act. Arrangements which are particularly advantageous in achieving the desired degree of electrical contact and temperature control are described below.
One of the most effective methods of using the continuous process for making metallized electrets of the present invention is based on using the metallized pad as an electrode. Manufacturing processes are preferred in which the metallized layer on the electret generator is brought into contact with, for example, brushes or rollers, so that it is given an electrical charge and the other (non-metallized) side of the electret generator is given a charge of the opposite sign. During the formation of this electrical charge, the metallized electret former is first passed through a high-temperature zone and then, as described above, through a low-temperature zone.
The electrets according to the invention thus produced can be used in filters for tobacco smoke. For example, they can be used in cigarette filters if they are cut into pieces about 12.7 Jl thick, 2 mm wide, and 5 to 20 mm long and crimped or uncrimped longitudinally in a conventional filter cylinder so that one end of each Piece comes into contact with the mouth of the smoker and is consequently grounded by the moisture.
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The effectiveness of the electrets according to the invention as a component of filters for tobacco smoke is based on the fact that they remove electrically charged particles from the smoke.
From an electrical point of view, the non-gaseous part of cigarette smoke consists of three types of particles. The smoke contains positively charged particles, negatively charged ones
Particles and Neutral Particles. Usually about half or a little less of the particle is des
Tobacco smoke is electrically neutral, while the rest of the approximately equal amounts are positive and negative
Particle consists.
The removal of charged particles from tobacco smoke has often proven to be useful in order to selectively remove undesirable constituents from the smoke and to increase the overall efficiency of the
Increase Filters.
It can also be assumed that certain physiological and psychological effects are achieved by removing certain charged particles from the smoke. Filters containing the metallized electrets according to the invention enable the controlled removal of one or both types of electrically charged particles from tobacco smoke. They can also be used for other purposes in which foreign matter must be removed from gases.
It is true that electrets have already been used to remove certain electrically charged particles from tobacco smoke; however, these electrons had only limited efficiency. Since the electrons rarely have opposite charges on both, no overall electric field can develop when they are used in a filter or other device. So there is no way to achieve selectivity in the use of such substances unless unusual and difficult measures are taken to introduce the electrets into the filter in such a way that the charges control each other to achieve the desired result to let. In other words, there is no effective way to ground such electrets.
The metallized electrodes according to the invention do not have this disadvantage of the usual electrodes and enable the production of a new type of electrically charged material for filters.
The use of the metallized electrets according to the invention in filters enables an advantageous distribution of individual charges in a filter with precise control of the charge distribution in the filter.
The reason for the effectiveness of the metallized electrets according to the invention is probably that this particular arrangement leads to a single charge on the metallized electret unit. The principle on which this effect is based can be seen from Fig. 1 of the drawings.
It can be seen that the dielectric 30 has a positive charge at A and a negative charge at B. A metal foil 31 is attached to the negative side, as a result of which, as a result of the so-called image effect, a positive charge is captured at C and a negative charge is repelled after D. The charge at D can easily be grounded. Since the charges at B and C neutralize each other, only the positive charge at A remains. This single charge is extraordinarily stable.
It has been found that with the metallized electrets according to the invention, greatly increased electrical charges are obtained. The increase in charge is surprisingly large; namely, it is three to four times the charge that is obtained without a conductive layer. These increased charges have been found to be completely reproducible. The main reason for this surprising result is likely to be found in the fact that the thin metal film which adheres to the plastic body gives better electrical contact and therefore enables a more uniform and stronger flow of electrical current.
The metallized electrets according to the invention also enable the manufacture of a new material and the use of a new method of storing information. They can be used as tapes for tape recorders and the like that respond to electrical impulses. similar Devices can be used because they can be adapted to superimpose a pattern of electrical signals on the charged electret surface which can be imparted to the electret under conditions similar to those described above.
It is also possible to use a metallized electret-forming tape on which a series of signals are superimposed according to the methods described above, so that the tape ultimately results in a series of electrets that are connected either directly or via electrically uncharged spaces. Such tapes are particularly valuable if the metallized coating on the electret former is magnetic, since two different types of signals, namely electrical and magnetic, can be superimposed on such tapes, so that two signals can be recorded simultaneously on the same tape length. Such tapes are suitable for television recordings,
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in which a visual signal and an audio signal are received and registered at the same time.
Since the metallized electret formers according to the invention are able to retain electrical charges of different degrees and / or opposite signs, even if the charges are in the immediate vicinity of one another, they can, as mentioned above, be used as recording bands, but also for the production of filter elements be used. Such filter elements can have the most varied of charges in the most varied of patterns and have the most varied of shapes for use in filters, so that positive and negative charges can be arranged in many different ways so that the problems of the respective aerosol filtration are best solved.
For certain application purposes it is particularly advantageous if the metallized coating is magnetic, so that both electrical and magnetic means can be used in the relevant filter in order to remove the undesired particles from the aerosol.
To further explain this embodiment of the invention, reference is made to the drawings. 1 shows a true-to-length view of an electret produced according to the invention, FIG. 2 shows a schematic representation of a method for producing electrets according to the invention, FIGS. 3, 5 and 7 show end views of cigarettes which contain electrets according to the invention, FIG. 4 shows a longitudinal section, partly broken away, through the cigarette according to FIG. 3 along line 4-4, FIG. 6 shows a longitudinal section, partly broken away, through the cigarette according to FIG. 5 along line 6-6, FIG. 8 shows a longitudinal section, partially broken away, through the cigarette according to FIG. 7 along the line 8-8, FIGS. 9 to 11 schematically explain manufacturing processes for the electret according to the invention.
Fig. 1 shows the electret-forming layer --30-- with the electrically conductive layer --31-- adhering to it. In the electret former, positive charges are indicated at --A-- and negative charges at -. In the electrically conductive layer, positive charges are indicated by --C-- and negative charges by --D--.
2 explains a preferred embodiment for the production of electrets according to the invention.
The electret-forming film --40-- with the electrically conductive layer --41-- adhering to it, is inserted through the opening --42-- into the zone --A--. The zone --A-- is kept at a temperature above the glass transition temperature and below the softening point of the electret former.
The brush --44-- is given a positive charge through the electrical line --43--. The brush - is in electrical contact with the surface of the electrically conductive layer - 41-- advancing through zone --A--. The negatively charged rollers - 45 and 46 - rotate in the direction indicated by the arrows and drive the conveyor belt --47-- which carries the electret former --40-- with its electrically conductive layer --41--.
In this way the electret former --40-- is conveyed with the layer --41-- through the zone --A-- and leaves the zone --A- through the opening --49a--. The conveyor belt --47-- is made of electrically conductive material, such as polished stainless steel, and the electrical charge of the rollers --45 and 46-- is communicated to the conveyor belt - so that between the surface of the conveyor belt --47-- and the conductive coating - there is an electric field on the electret former
When the electret former --40-- and the electrically conductive coating --41-- have reached the dwell time in zone --A-- required for the first treatment of the metallized electret former film, i.e. H.
When the field strength of about 0.001 to 1000 kV / cm generated by the voltage between the conveyor belt --47 - and the metallized surface - of the electret generator has been brought into effect for about 1 lis to 12 hours or longer, the electret generator occurs - 40-- and the electrically conductive layer --41-- through the opening --49a-- into zone --B--, where they are kept at a temperature below about 300C until the metallized material is also below a temperature Has reached 300C.
The electret former --40-- and the electrically conductive layer --41-- leave the zone - through the opening --48--. The conveyor belt --47 - runs alternately back and forth between the two zones through the openings --49a and 49b--.
3 and 4 show a cigarette -61- with a paper cylinder -62- which delimits the body of the cigarette. In the cylinder --62-- there is shredded tobacco --63--. At the end of the shredded tobacco is the paper cylinder -64-, which abuts one end of the paper cylinder -62-. The cylinder --64 - limits the cigarette filter. The filter is connected to the section of tobacco delimited by the paper cylinder --62-- by the paper cylinder --65-- which covers the entire paper cylinder --64-- and part of the paper cylinder --62--. The filter section delimited by the paper cylinder contains metallized electrets --66--, each of which consists of an electret layer --66a-- and a metal layer --66b--.
The metallized electret --66-- is wound up in a spiral in the cylinder --64--. In this embodiment the spaces are between
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Potential is applied.
Fig. 11 shows an arrangement similar to Fig. 10, but with the rollers --6 and 7- serving the metallized electret former --1 '- between the points --B and C-- with the roller --4 '-to bring in stronger touch. This arrangement enables metallized electrets to be produced more effectively than the arrangement according to FIG. 10.
To explain the superiority of metallized electrets compared to non-metallized electrets, two experiments are carried out. In the first experiment a non-metallized electret is produced, in the second experiment a metallized electret. These two experiments are given below as Examples 1 and 2; of them, only Example 2 relates to the invention.
Example 1: Samples of 25.4 thick polyethylene terephthalate foil are heated between electrodes made of aluminum foil until they reach a temperature of 150.degree. A constant field of 200 kV / cm is then applied to the device, the temperature being kept at 1500C. The samples are then allowed to cool to 300 ° C. in an electric field. The period of time for which the film is exposed to the action of the electric field at the stated temperatures and the surface charge densities produced are given in Table I.
Table I.
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<tb>
<tb> Time span <SEP> of the <SEP> action <SEP> surface charge density
<tb> of the <SEP> electrical <SEP> field <SEP> (min) <SEP> (hetero charge)
<tb> at <SEP> 1500C <SEP> time <SEP> for <SEP> cooling down <SEP> 10-9 <SEP> coulomb / cm
<tb> on <SEP> 300C
<tb> 0 <SEP> 75 <SEP> 27, <SEP> 2 <SEP>
<tb> 0 <SEP> 40 <SEP> 21, <SEP> 0 <SEP>
<tb> 120 <SEP> 40 <SEP> 17, <SEP> 0 <SEP>
<tb> 30 <SEP> 60 <SEP> 12.7
<tb>
Example 2: Samples of 25.4 jeu thick polyethylene terephthalate film coated on one side with aluminum are treated according to Example 1. The polyethylene terephthalate is heated between stainless steel electrodes in an oven to 1500C and then allowed to cool according to Example 1.
The test conditions and the resulting charges are given in Table II.
Table II
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<tb>
<tb> Time span <SEP> of the <SEP> action <SEP> surface charge density
<tb> of the <SEP> electrical <SEP> field <SEP> (min) <SEP> (hetero charge)
<tb> at <SEP> 1500C <SEP> time <SEP> for <SEP> cooling down <SEP> 10-9 <SEP> Coulomb / cm2
<tb> to <SEP> 30 C
<tb> 5 <SEP> 20 <SEP> 48
<tb> 12 <SEP> 20 <SEP> 44
<tb> 180 <SEP> 20 <SEP> 40
<tb> 5400 <SEP> 60 <SEP> 40
<tb>
Examples 3 and 4: A sample of a metallized, 25.4 Jl thick polyethylene terephthalate film
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cooled to room temperature, the non-metallized film within 25 minutes and the metallized film within 20 minutes. During the entire heating and cooling process, a negative voltage of 500 V is applied to the metallized side of the metallized film and also to the non-metallized film.
The unmetallized electret obtained in this way has a charge density of 8.8 × 10-9 coulombs / cm on each side, but of opposite polarity. The foil metallized with aluminum shows a charge density of -40 × 10-9 coulombs / cm on the non-metallized side and a charge of zero on the metallized side. Both electrets are stable
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Hetero charges.
In the present description, parts and percentages relate to amounts by weight, unless stated otherwise.
The dipole moment is a mathematical quantity. It is the product of one of the charges on a dipole unit and the distance between the two charges in the dipole unit.
The volume resistivity is the electrical resistance that one cubic centimeter of a substance opposes the passage of the electrical current perpendicular to two parallel surfaces of the cube.
The glass transition temperature, which is also known as the glass transition temperature, glass transition temperature or transition temperature of the second order, is the temperature at which the curves for the free energy, entropy and enthalpy are continuous in an amorphous plastic or in the amorphous range of a crystalline plastic and the curve for the heat capacity is discontinuous is. The glass transition temperature is the point at which a change in the molecular freedom of a substance occurs, and it is further characterized as the point at which the substance in question changes from the rigid state to a rubbery state.
The melting point, which can also be referred to as the first-order transition temperature, is the temperature at which the free energy curve is continuous and the entropy, enthalpy and heat capacity curves are discontinuous.
The softening point, also known as the softening temperature, is below the melting point of the substance concerned. A sharp melting point is usually not observed in high molecular weight amorphous plastics. The temperature range of the transition point at which a substance without a sharp melting point changes from the state of viscous flow to that of plastic flow when determined with the plastometer is called the softening point. If no softening point can be assigned to a substance, the melting point is regarded as the upper limit of the temperature range specified here for the purposes of the invention.
PATENT CLAIMS:
1. electret, especially for the selective removal of particles from smoke, e.g. B. tobacco smoke, by filtering, with at least two parallel surfaces, the opposite, elec-
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surfaces a layer of electrically conductive material adheres.